水泥土樁復合地基褥墊層厚度試驗研究

劉統(tǒng)廣

（中天泰和國際工程勘察設計（北京）有限公司，山東 濟南250000）

黃熙齡[1]提出在承臺下設置褥墊層，可以優(yōu)化復合地基樁土應力比，合理利用樁間土的承載力，能充分發(fā)揮復合地基的承載特性。自楊軍等[2]將褥墊層應用于工程實踐以來，復合地基技術在我國得到了廣泛的應用和發(fā)展，并取得了良好的經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)在地基處理中應用的樁型有十余種之多，幾乎均以樁體和樁間土通過褥墊層調節(jié)達到這兩種介質共同承載為基本概念。復合地基的理論和技術現(xiàn)狀卻是，理論研究仍然遠遠落后于工程實踐。褥墊層是復合地基處理技術的核心，但因復合地基種類較多，作用機理復雜，環(huán)境條件多變性等原因，導致褥墊層的材料及厚度的理論研究和技術應用仍有很大的空間。

現(xiàn)場載荷試驗和室內(nèi)模型載荷試驗是當前研究復合地基理論的主要手段。文章以室內(nèi)水泥土樁復合地基載荷試驗數(shù)據(jù)為基礎，研究褥墊層厚度對復合地基豎向和水平向承載特性及位移變形的影響，分析了在不同褥墊層厚度下復合地基豎向和水平向樁土應力比及位移的變化特征，探討水泥土樁復核地基褥墊層厚度合理取值問題。

1 室內(nèi)模型試驗

試驗在沈陽建筑大學結構試驗室內(nèi)進行。水泥土樁徑為100mm，樁長為1000mm。鋼板箱體尺寸為2m×2m×1.6m，內(nèi)貼5mm厚泡沫橡膠板，用以降低剛性試驗箱體對土體的約束作用。樁底鋪設300mm厚細沙，樁頂褥墊層為粒徑10mm的碎石，裝側土為粉質黏土。預制水泥土樁體為參量10%的P.042.5級硅酸鹽水泥。水泥土樁復合地基室內(nèi)模型試驗分為豎向載荷試驗和水平載荷試驗兩部分。本試驗由高精度靜態(tài)伺服液壓控制臺控制，使用UCAM-70A.IMP數(shù)采系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)。

1.1 豎向載荷試驗加載過程

使用壓力傳感器監(jiān)測200t滑動千斤頂，每步50kN分級加載。每步加載穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，然后再進行下步加載。終止加載條件為沉降不收斂或得到相關曲線可以做定性分析。

1.2 水平載荷試驗加載過程

預先使用50t滑動千斤頂施加額定豎向荷載（100kPa），然后使用200t千斤頂施加水平荷載，每步2.5kN分級加載，加載歷時15min后讀取數(shù)據(jù)。終止加載條件為水平位移不收斂或得到相關曲線可以做定性分析。

2 試驗結果分析

2.1 褥墊層厚度對地基豎向沉降位移的影響

不同褥墊層厚度時水泥土樁復合地基荷載-沉降曲線如圖1所示。在載荷前期，3種不同褥墊層厚度下的地基沉降隨豎向荷載的增加而近似直線增加。70mm厚褥墊層沉降曲線曲率增大點為100kPa處，對應沉降值為24.2mm；140mm厚褥墊層沉降曲線曲率增大點荷載為125kPa，對應沉降值為29.5mm；210mm厚褥墊層沉降曲線曲率增大點荷載為150kPa，對應沉降曲線為32.4mm。試驗數(shù)據(jù)顯示相同荷載條件下，隨著褥墊層厚度的增加復合地基豎向沉降變小。在一定范圍內(nèi)，褥墊層厚度的增加可以使水泥土樁與樁間土更好地協(xié)調工作，提高復合地基的承載力和變形能力。

圖1 不同褥墊層厚度下樁頂豎向沉降

2.2 褥墊層厚度對樁頂水平位移的影響

在豎向荷載100kPa的等同條件下，改變?nèi)靿|層厚度。樁頂水平位移變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同褥墊層厚度下樁頂水平位移

從圖2可以得出，在同一水平荷載作用下，墊層越厚，樁頂水平位移越小。在一定范圍內(nèi)，增加褥墊層厚度能夠優(yōu)化樁土之間的應力比。當水平荷載大于25kPa時，相對140mm褥墊層下的樁頂水平位移，70mm褥墊層厚度下的樁頂水平位移迅速增大。這正是由于褥墊層厚度過小，使得樁身承載水平力增大，樁間土承載能力不能充分發(fā)揮。

褥墊層是影響水泥土樁復合地基特性的重要因素。對于柔性樁復合地基，褥墊層厚度過小，樁對基礎將產(chǎn)生很顯著的應力集中，需考慮樁對基礎沖切，這勢必導致基礎加厚。基礎在水平荷載作用下，可能造成復合地基中樁斷裂。由于褥墊厚度過小，樁間土承載能力不能充分發(fā)揮，要達到設計要求的承載力，必然要增加樁的數(shù)量或長度，從而造成經(jīng)濟上的浪費。唯一帶來的好處是建筑物的沉降量小[3]。褥墊層厚度大，樁對基礎產(chǎn)生的應力集中很小，可不考慮樁對基礎的沖擊作用，基礎受水平荷載的作用，不會發(fā)生樁的折斷，并能充分發(fā)揮樁間土的承載能力。若褥墊層厚度過大，會導致樁、土應力比等于或接近1。此時樁承擔的荷載太小，實際上復合地基中樁的設置已失去了意義。這樣設計的復合地基承載力，不會比天然地基有較大的提高，而且建筑物的變形也大。

綜合以上分析，建議實際工程中水泥土樁復合地基褥墊層厚度為樁徑的1～2倍，且不小于100mm。

3 褥墊層厚度設計

褥墊層厚度決定了復合地基的合理性。通過合理控制復合地基的褥墊層厚度，能夠得到預期的樁土應力比和地基沉降值，從而達到復合地基處理的安全性和經(jīng)濟性。在實際工程設計之初，已知上部結構所需的地基承載力和處理前原有地基的承載力，按現(xiàn)行《建筑地基處理技術規(guī)范》（以下簡稱《地處規(guī)》）根據(jù)樁土應力比經(jīng)驗值即可求得增強體的置換率[4]。復合地基承載力計算過程中，散體材料增強體復合地基樁土應力比或有黏結強度增強體復合地基樁土承載力發(fā)揮系數(shù)為經(jīng)驗值，而對此起主要影響作用的褥墊層厚度也為范圍取值，導致計算結果的偏差較大。

300mm樁徑水泥土樁復合地基褥墊層（中粗砂和碎石石屑）最佳厚度為200～300mm，在此范圍內(nèi)，褥墊層厚度與樁土應力比成負相關關系[5]。肖耀廷[6]提出褥墊層厚度等于樁頂應力擴散角厚度與樁頂刺入量之和。假設條件：（1）墊層為理想彈性體，材料符合摩爾庫倫準則；（2）不考慮樁的側向變形，樁土只發(fā)生一維壓縮；（3）計算時不考慮墊層圖的重量和粘聚力；（4）樁體向墊層的破壞形式為刺入破壞。

從墊層的受力和變形的角度推導出褥墊層厚度計算公式：

式中：n為樁土應力比；h0為樁頂應力擴散厚度；Kp為被動土壓力系數(shù)；Es為墊層壓縮模量；φ為墊層內(nèi)摩擦角；ψ為直線擴散角；σ為基底壓力；D為水泥土樁直徑。

本文通過現(xiàn)場靜載荷試驗分析得出，100mm樁徑水泥土樁復合地基褥墊層厚度小于200mm時，樁土應力比隨墊層厚度的減小而降低。從上述計算式可知，褥墊層的厚度與樁徑成正相關關系，與基底壓力成正相關關系，并和褥墊層的材料相關。

4 結束語

（1）相同荷載條件下，隨著褥墊層厚度的增加水泥土樁復合地基豎向沉降變小。在一定范圍內(nèi)，褥墊層厚度的增加可以使水泥土樁與樁間土更好地協(xié)調工作，以提高水泥土樁復合地基的承載力和變形能力。

（2）在水平加載初期，豎向荷載能夠減小樁身水平位移。豎向荷載使得樁頂在水平方向上受到一定程度的約束，從而限制了樁頂?shù)乃轿灰啤＝ㄗh水泥土樁復合地基水平荷載承載力設計值不小于豎向最大荷載的1/10。

（3）適度增加褥墊層厚度能夠優(yōu)化樁土之間的應力比。建議實際工程中水泥土樁復合地基褥墊層厚度為樁徑的1～2倍，且不小于10cm。

（4）水泥土樁復合地基褥墊層厚度取值影響因素頗多，其理論計算公式的確定仍需進一步工程試驗和理論分析。